有機-無機鈣鈦礦材料在光-電轉換等領域具有巨大的應用前景。在短短4年內,鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率從9%提升到目前超過20%,已接近多晶矽的水平。

中國科學院青島生物能源與過程研究所長時間專注於鈣鈦礦新材料和大規模製備工藝的開發。其能源應用技術分所的研究團隊已率先利用甲脒離子代替甲胺離子開發出具有更優禁帶寬度和高溫穩定性的新型鈣鈦礦材料。在溶液法成膜工藝上,探討了前驅體反應的調控對提高鈣鈦礦薄膜均勻性的製約作用。在此基礎上,逄淑平帶領研究組與美國布朗大學、廈門惟華光能公司合作開發出一種全新的氣體後修復技術,以解決鈣鈦礦大規模成膜均勻性問題,相關成果發表於國際化學期刊《德國應用化學》(Angew.Chem.Int.Edit.),題目為Methylamine-Gas Induced Defect-Healing Behaviorof CH3NH3PbI3 Thin Films for Perovskite Solar Cells,論文得到審稿人的高度評價,被期刊編輯部選為VIP(Very Important Paper)文章。

高質量鈣鈦礦薄膜的大面積製備是鈣鈦礦太陽能電池發展的瓶頸。目前常用的溶液旋塗法是只適應於製備小面積的鈣鈦礦薄膜。由於鈣鈦礦材料自身易於結晶和溶劑相對較慢揮發的特性,在基於噴霧、塗佈等工業技術製備的鈣鈦礦薄膜通常存在較多的缺陷結構,且均一性較差。這類缺陷會引起空間電場的不均勻分佈,從而提高了光生載流子的複合機率,影響了器件的輸出性能。

逄淑平研究發現鈣鈦礦材料可以跟甲胺氣體直接反應生成一種可以流動的液體,其良好的流動特性使其可以有效修復材料中的缺陷結構,修復後可以通過改變外部環境使氣體自發脫離鈣鈦礦材料。整個過程類似於一個簡單的呼吸過程,僅需要幾秒鐘的時間就可以完成鈣鈦礦薄膜中晶體結構的重構。且結構重構後的晶格取向性得到明顯提高,這將更有利於載流子在鈣鈦礦薄膜內部的分離和傳輸。

此種氣體修復工藝在狹縫塗佈工藝製備的大面積鈣鈦礦薄膜上同樣展現出超強的修復能力,合作夥伴廈門惟華光能公司證明該氣體修復過程不受尺寸、基底材料等因素的限制,可以大規模製備高均勻性鈣鈦​​礦薄膜,該工藝使得開發大面積高效率鈣鈦礦太陽能電池成為可能。青島能源所在此基礎上已申請專利保護核心知識產權。

該研究得到中國科學院青年促進會、國家自然科學基金委、山東省自然科學基金重點項目、青島市應用基礎研究計劃項目以及青島儲能技術研究院的資助。

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